DE3520699A1 - METHOD FOR SELECTIVE DIFFUSING ALUMINUM INTO A SILICON SUBSTRATE - Google Patents
METHOD FOR SELECTIVE DIFFUSING ALUMINUM INTO A SILICON SUBSTRATEInfo
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Description
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7.6.85 -X- Rz/dh7.6.85 -X- Rz / dh
Verfahren zum selektiven Diffundieren von Aluminium in ein Siliziumsubstrat Method for the selective diffusion of aluminum into a silicon substrate
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zum selektiven Diffundieren von Aluminium in ein Siliziumsubstrat nach dem Oberbegriff des PatentanspruchsThe invention is based on a method for the selective diffusion of aluminum into a silicon substrate according to the preamble of the patent claim
Aluminium, das über eine grosse Diffusisonskonstante in Silizium verfügt, ist einer der wichtigsten Dotierstoffe zur Herstellung von Leistungshalbleiterbauelementen wie Dioden und Thyristoren. Für die Aluminiumdiffusion werden verschiedene Verfahren angewendet:Aluminum, which has a large diffusion constant in silicon is one of the most important dopants for the production of power semiconductor components like diodes and thyristors. Various methods are used for aluminum diffusion:
a) Eine Diffusion im Vakuum, bei der als Aluminiumquelle selbst das Diffusionsrohr dient. Das Diffusionsrohr besteht aus Silizium, ist mit Aluminium dotiert und in einem herkömmlich evakuierten Quarzglasrohr untergebracht .a) Diffusion in a vacuum, in which the diffusion tube itself serves as the aluminum source. The diffusion tube consists of silicon, is doped with aluminum and housed in a conventionally evacuated quartz glass tube .
b) Eine Diffusion im Argon als Schutzgas, bei der als Aluminiumquelle eine zweite Siliziumscheibe dient, die mit Aluminium durch Migration der Al-Si-Schmelze dotiert ist, und bei der die Quellenscheibe im direkten Kontakt mit der Zielscheibe ist.b) A diffusion in argon as a protective gas, in which a second silicon wafer serves as the aluminum source, those with aluminum through migration of the Al-Si melt is doped, and in which the source disc is in direct contact with the target disc.
c) Eine Diffusion, bei der das Aluminium in Form einer Al(N03)5-Schicht auf die Zielscheibe aufgebracht wird.c) A diffusion in which the aluminum is applied to the target in the form of an Al (N0 3 ) 5 layer.
Alle genannten Methoden haben ausser anderen einen gemeinsamen Nachteil: Selektive Diffusion ist hier nicht möglieh. Beim Verfahren nach b) ist zwar einseitige Al-Diffusion möglich, Versuche mit einer diffundierten Struktur auf einer Scheibenoberfläche sind jedoch gescheitert.All the methods mentioned have one thing in common, aside from others Disadvantage: Selective diffusion is not possible here. In the method according to b), one-sided Al diffusion is possible, experiments with a diffused structure however, have failed on a disk surface.
Für eine Randkonturierung, d.h. die Formgebung des Randes eines Halbleiterbauelementes, wie es für Hochspannungsbauelemente benötigt wird, ist es von Vorteil, wenn der sperrende PN-Uebergang, auf dem die ganze Spannung in Sperrichtung liegt, am Rand tiefer gezogen wird oder wenn ein sogenannter Schutzring ausgebildet werden kann. Für feldgesteuerte Thyristoren ist ein tiefer PN-Uebergang zu diffundieren, wofür eine tiefe selektive P-Diffusion notwendig ist. Im Hinblick auf die erforderliche Eindringtiefe dieser Diffusion kommt als Dotierstoff praktisch nur Aluminium in Frage, da Bor oder Gallium eine zu geringe Diffusionskonstante aufweisen. Die Diffusionskonstante von Aluminium ist etwa 10 mal so gross wie die von Bor. Gallium diffundiert zwar etwas schneller im Vergleich zu Bor, es ist aber nicht maskierbar. Das Problem einer selektiven Al-Diffusion ist bis jetzt nicht zufriedenstellend gelöst worden. In der Praxis wird diese Aufgabe so erfüllt, dass nach der Belegung (Prädeposition) das Silizium auf den unerwünschten Gebieten bis in die Eindringtiefe dieser Diffusion abgeätzt wird. Dann findet die zweite Diffusionsstufe (drive-in) in einem solchen Gasgemisch statt, welches das ausdiffundierende Aluminium bindet.For edge contouring, i.e. the shaping of the edge of a semiconductor component, as is required for high-voltage components, it is advantageous if the Blocking PN junction on which the entire voltage is in the blocking direction, is pulled lower at the edge or if a so-called guard ring can be formed. A deep PN transition is required for field-controlled thyristors to diffuse, for which a deep selective P diffusion is necessary. In terms of the required Penetration depth of this diffusion is practically only aluminum possible as a dopant, since boron or gallium have too low a diffusion constant. The diffusion constant of aluminum is about 10 times as large as that of boron. Gallium diffuses a little faster compared to boron, but it cannot be masked. The problem of selective Al diffusion has not yet occurred has been satisfactorily resolved. In practice, this task is carried out in such a way that after the occupancy (predeposition) the silicon is etched in the undesired areas down to the depth of penetration of this diffusion. Then find the second diffusion stage (drive-in) takes place in such a gas mixture that the out-diffusing aluminum binds.
Mit dem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Verfahren zum selektiven DiffundierenWith the preamble, the invention takes on a state of the art of methods for selective diffusion
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von Aluminium in ein Siliziumsubstrat Bezug, wie er in der DE-AS 2 812 658 beschrieben ist. Dort wird auf eine Hauptfläche eines Einkristall-Siliziumhalbleitersubstrats Aluminium aus einem Aluminiumdraht mit einer Reinheit von 99,9995 % als Aluminiumquelle in einer Stärke von weniger als 2 pm in einem gitterförmigen Muster abgeschieden. Der Aluminiumdraht wird durch einen Elektronenstrahl erhitzt und das Aluminium bei einem Druck im Bereich von 270 uPa bis 400 uPa auf dem auf 230 0C - 250 0C erhitzten Siliziumsubstrat abgeschieden und nach üblicher Weise photolithographisch strukturiert. Das Si-Substrat wird in einer Atmosphäre aus einem nicht oxydierenden Gas, wie Stickstoff oder Argon, und 0,05 - 10 VoI-So Sauerstoff bis zur Ausbildung einer zusammenhängenden Oxidschicht auf der Aluminium- und Siliziumoberfläche erhitzt. Nachteilig dabei ist, dass durch den Elektronenstrahl auch die Umgebung des bestrahlten Aluminiumdrahtes auf eine hohe Temperatur ansteigt, was zu einer Verdampfung z.B. von Tiegelmaterial und damit zu einer unerwünschten Verunreinigung der Aluminiumaufdampfschicht führen kann.of aluminum in a silicon substrate, as described in DE-AS 2,812,658. There, aluminum is deposited from an aluminum wire with a purity of 99.9995 % as an aluminum source with a thickness of less than 2 μm in a lattice-like pattern on a main surface of a single crystal silicon semiconductor substrate. The aluminum wire is heated by an electron beam and the aluminum at a pressure in the range of 270 to 400 uPa uPa on to 230 0 C - 250 0 C deposited heated silicon substrate and photolithographically patterned in a conventional manner. The Si substrate is heated in an atmosphere of a non-oxidizing gas such as nitrogen or argon and 0.05-10% by volume of oxygen until a coherent oxide layer is formed on the aluminum and silicon surface. The disadvantage here is that the area around the irradiated aluminum wire also rises to a high temperature due to the electron beam, which can lead to evaporation, for example, of crucible material and thus to undesirable contamination of the aluminum vapor deposition layer.
Schwierigkeiten treten auf, wenn die mit Aluminium beschichtete Siliziumscheibe aufgeheizt wird, da die Al-Si-Schmelze wegen einer Zwischenschicht auf der Si-Oberfläche nicht gleichmässig verteilt ist, was sich als Bildung von kleinen Tröpfchen zeigt. Infolge dessen ist die Homogenität der Diffusion nicht gewährleistet.Difficulties arise when the aluminum-coated silicon wafer is heated because the Al-Si melt is not evenly distributed because of an intermediate layer on the Si surface, which turns out to be Shows formation of small droplets. As a result, the homogeneity of the diffusion is not guaranteed.
Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, bei einer selektiven Aluminiumdiffusion eine höhere Reinheit des Aluminiums auf dem Si-Substrat zu erreichen bzw. den Anteil an Verunreini-The invention as defined in claim 1 solves the problem with a selective aluminum diffusion to achieve a higher purity of the aluminum on the Si substrate or the proportion of impurities
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gungen durch Fremdatome, insbesondere durch Schwermetallatome, zu verringern.Reduce the effects of foreign atoms, especially heavy metal atoms.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass kontaminationsfreie Aluminiumschichten auf die Oberfläche der Siliziumscheibe a-ufgebracht werden können.One advantage of the invention is that contamination-free aluminum layers are applied to the surface of the Silicon wafer can be applied.
Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird erreicht, dass diese Aluminiumschichten gut haften und beim Aufheizen gleichmässig mit dem Silizium zusammenschmelzen, so dass keine Tröpfchenbildung auftritt.According to an advantageous embodiment of the invention it is achieved that these aluminum layers adhere well and evenly melt together with the silicon when heated, so that no droplet formation occurs.
Zum einschlägigen Stand der Technik wird zusätzlich auf die US-PS 4,199,386 verwiesen, aus der es bekannt ist, auf die Siliziumscheibe eine komplizierte Struktur aus mehreren Schichten aufzubringen, die dann strukturiert wird und als Diffusionsquelle dient.For the relevant prior art, reference is also made to US Pat. No. 4,199,386, from which it is known to apply a complex structure made up of several layers to the silicon wafer, which is then structured and serves as a diffusion source.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen: The invention is explained below using an exemplary embodiment. Show it:
Fig. 1 eine Anordnung zur Aluminiumbeschichtung einer Siliziumscheibe,1 shows an arrangement for aluminum coating a silicon wafer,
Fig. 2 eine Siliziumscheibe gemäss Fig. 1, die mit AIuminium und Photolack beschichtet ist,Fig. 2 shows a silicon wafer according to FIG. 1, which is made with aluminum and photoresist is coated,
Fig. 3 eine Siliziumscheibe gemäss Fig. 2 nach dem Wegätzen des Aluminiums,3 shows a silicon wafer according to FIG. 2 after the aluminum has been etched away,
Fig. 4 eine Siliziumscheibe gemäss Fig. 3 nach dem Entfernen des Photolacks,4 shows a silicon wafer according to FIG. 3 after the photoresist has been removed,
Fig. 5 eine Siliziumscheibe gemäss Fig. 4 nach einer Diffusion in sauerstoffhaltiger Atmosphäre und5 shows a silicon wafer according to FIG. 4 after diffusion in an oxygen-containing atmosphere and
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Fig. 6 ein Diffusionsprofil der Siliziumscheibe gemäss Fig. 5 unterhalb der Aluminiumschicht.6 shows a diffusion profile of the silicon wafer according to Fig. 5 below the aluminum layer.
In Fig. 1 ist mit 1 eine Siliziumscheibe bzw. ein Siliziumsubstrat bezeichnet, dessen obere Hauptfläche 2 poliert ist und mit Aluminium beschichtet werden soll.In Fig. 1, 1 is a silicon wafer or a silicon substrate denotes whose upper major surface 2 is polished and is to be coated with aluminum.
Die Siliziumscheibe 1 vom η-leitenden Typ hat einen Durch messer von 50,8 mm und einen spezifischen Widerstand im Bereich von 40 Λ cm - 60/lern. Sie liegt auf einer Unterlagscheibe 3 aus Silizium, so dass sie während der Aluminiumbeschichtung in einer im Handel erhältlichen Hochvakuum-Kathodenzerstäubungsanlage mit deren Drehteller 4 nicht in Kontakt kommt. 5 bezeichnet eine Aluminium-Prallplatte bzw. ein Al-Target, das als Kathode geschaltet ist und zerstäubt wird. Dieses Al-Target wird durch eine Abschirmelektrode 6 abgeschirmt.The silicon wafer 1 of the η-conductive type has a diameter of 50.8 mm and a specific resistance in the range of 40 Λ cm - 60 / lern. She lies on one Washer 3 made of silicon, so that it is in a commercially available during the aluminum coating High vacuum cathode sputtering system with the turntable 4 does not come into contact. 5 denotes an aluminum baffle plate or an Al target that is connected as a cathode and is sputtered. This Al target is shielded by a shielding electrode 6.
Im Plasma eines Edelgases, vorzugsweise in einem Argon-Plasma wird durch Ionenbeschuss das Al-Target 5 zerstäubt und ein Aluminiumbelag bzw. eine Aluminiumschicht 7 vorgebbarer Dicke von z.B. 1 um auf der Siliziumscheibe niedergeschlagen, vgl. Fig. 2. Dabei ist von grosser Bedeutung, dass die Si-Oberflache vor dem Zerstäuben etwa 10 min lang bei 20 pbar Argondruck mit Ar-Ionen bombardiert wird, was zum Abtrag der Siliziumschicht und der darauf befindlichen Si0„-Haut (native oxide) führt. Damit wird der direkte Kontakt zwischen Al und Si ohne die störende Trennschicht gewährleistet, und diese aufgebrachte Al-Schicht schmilzt mit dem Silizium gleichmässig zusammen.The Al target 5 is atomized by ion bombardment in the plasma of a noble gas, preferably in an argon plasma and an aluminum covering or an aluminum layer 7 of predeterminable thickness of, for example, 1 µm on the silicon wafer deposited, see Fig. 2. It is of great importance that the Si surface is prior to sputtering Ar ions are bombarded for about 10 minutes at 20 pbar argon pressure, which removes the silicon layer and the SiO "skin (native oxide) located on it. This creates direct contact between Al and Si is guaranteed without the interfering separating layer, and this applied Al layer melts with the silicon evenly together.
Würde die Aluminiumschicht 7 nur aufgestäubt werden, ohne vorherigen Abtrag durch Bombardierung der Hauptfläche 2 mit Ar-Ionen, so könnte es bei einer nachfolgen-If the aluminum layer 7 would only be dusted on without prior removal by bombing the main surface 2 with Ar ions, it could be in a subsequent
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den Diffusion zu einer unerwünschten Tröpfchenbildung des Aluminiums auf der Hauptfläche 2 kommen, wobei kleine Bereiche der Hauptfläche 2 ohne Aluminiumschicht bleiben.the diffusion lead to an undesired formation of droplets of the aluminum on the main surface 2, small Areas of the main surface 2 remain without an aluminum layer.
Das Zerstäuben erfolgt bei einem Argondruck von 8 ubar mit einer Ablagerungsgeschwindigkeit von 340 pm/s bis zu einer Schichtdicke von 1 μιη. Es ist im V/ergleich zum Aufdampfen ein relativ kalter Prozess, was zur Sauberkeit der aufgebrachten Substanz beiträgt, da kein Schiffchen oder Tiegel aufgeheizt wird, die eine Kontaminationsquelle darstellen. Eine Verschmutzung durch den Drehteller 4, auf dem die Siliziumscheibe 1 in der Zerstäubungsanlage aufliegt, kann durch Unterlegen der ein bisschen grösseren Silizium-Unterlagscheibe 3 verhindert werden. Diese Unterlagscheibe 3 hat in der Mitte eine Vertiefung, in der die zu behandelnde Siliziumscheibe 1 liegt und nicht wegrutschen kann.The atomization takes place at an argon pressure of 8 ubar with a deposition rate of 340 pm / s up to a layer thickness of 1 μm. It is in comparison to the Vapor deposition is a relatively cold process, which contributes to the cleanliness of the applied substance, since there is no boat or crucibles, which are a source of contamination, are heated. Soiling from the turntable 4, on which the silicon wafer 1 rests in the sputtering system, can by placing the a little larger silicon washer 3 can be prevented. This washer 3 has a in the middle Recess in which the silicon wafer 1 to be treated lies and cannot slip away.
Nach dem Zerstäuben wird die Aluminiumschicht 7 auf übliche Weise photolithographisch maskiert und ein streifenförmiger Photolackbelag 8 aufgebracht. Photolack ist z.B. unter der Bezeichnung AZ-1350 J-SF von der deutschen Firma Höchst erhältlich. Es ist zweckmässig, auch auf der Rückseite der Siliziumscheibe 1 einen Photolackbelag 9 aufzubringen, um zu verhindern, dass die Siliziumscheibe bei einem späteren Manipulieren kontaminiert wird.After the sputtering, the aluminum layer 7 is photolithographically masked in the usual way and a strip-shaped one Photoresist coating 8 applied. Photoresist is e.g. under the designation AZ-1350 J-SF from the German Company Höchst available. It is useful to have a photoresist coating on the back of the silicon wafer 1 as well 9 to apply in order to prevent the silicon wafer from contaminating during subsequent manipulation will.
Nach dem Aufbringen der Photolackbeläge 8 und 9 wird das Aluminium in einem "ISOFORM"-Aluminium-Aetzmittel der M.I.T.-Halbleiter-Chemie-GmbH, Solingen, Deutschland, bei 55 0C 30 s lang geätzt, so dass die in Fig. 3 gezeigte Struktur entsteht.After the application of photoresist coatings 8 and 9, the aluminum is in a "ISOFORM" aluminum etchant MIT semiconductor Chemie GmbH, Solingen, Germany, 30 s etched at 55 0 C long, so that the position shown in Fig. 3 Structure emerges.
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Anschliessend wird der nicht mehr benötigte Photolack mit Aceton und Isopropanol je 15 s im Ultraschallbad entfernt und die Siliziumscheibe 1 mit Wasser gespült und getrocknet, so dass die in Fig. 4 dargestellte Struktür entsteht.The photoresist that is no longer required is then removed removed with acetone and isopropanol for 15 s each in an ultrasonic bath and the silicon wafer 1 rinsed with water and dried, so that the structural door shown in FIG arises.
Die Haftung des Aluminiums kann jetzt durch Anlassen bei 480 0C - 500 0C 30 min lang im Vakuum noch verbessert werden; sie ist jedoch im Vergleich zu einer Ar -Bombardierung von untergeordneter Bedeutung, was Experimente bestätigten.The adhesion of the aluminum can now be further improved by tempering at 480 ° C.-500 ° C. for 30 minutes in a vacuum; However, it is of minor importance compared to an Ar bombardment, which experiments have confirmed.
Das anschliessende Diffundieren des Aluminiumbelags 7 in die Siliziumscheibe 1 erfolgt 300 min lang bei einer Temperatur von 1250 0C in einem Gasgemisch aus N2 (1 l/min) und 0_ (20 ml/min), wobei die Aufheizgeschwindigkeit 3 K/min beträgt. Das Abkühlen erfolgt mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 1 K/min.The subsequent diffusing of the aluminum covering 7 in the silicon wafer 1 is performed 300 min at a temperature of 1250 0 C in a gas mixture of N2 (1 L / min) and 0_ (20 ml / min), wherein the heating rate is 3 K / min . The cooling takes place at a cooling rate of 1 K / min.
Der Sauerstoff hat die Aufgabe, die Aluminiumdämpfe aus der Aluminiumschicht in Al2O, umzuwandeln. Al2O, ist als Diffusionsquelle unwirksam und kann auf unerwünschten Stellen keine P-Schicht erzeugen. Statt Stickstoff kann man auch Argon verwenden. Die Gebiete, in denen keine Diffusion stattfinden soll, können zusätzlich mit einer SiO2-Schicht als Diffusionsbarriere gegen die anderen Dotierstoffe, die im Rohr oder bereits in der SiIiziumscheibe vorhanden sind, versehen sein.The oxygen has the task of converting the aluminum vapors from the aluminum layer into Al 2 O. Al 2 O is ineffective as a diffusion source and cannot produce a P-layer on undesired areas. Argon can also be used instead of nitrogen. The areas in which no diffusion should take place can additionally be provided with an SiO 2 layer as a diffusion barrier against the other dopants that are present in the tube or already in the silicon wafer.
Nach der Diffusion können die Ueberreste von Al, Al2O,, Schmelze aus Al-Si und ggf. SiO2 abgeätzt und abgeläppt werden. Der Abtrag beim Polieren ist dabei im Vergleich zum Abtrag durch die Al-Vorbelegung gering.After the diffusion, the remnants of Al, Al 2 O ,, melt made of Al-Si and possibly SiO 2 can be etched off and lapped off. The abrasion during polishing is small compared to the abrasion caused by the Al pre-allocation.
58/8558/85
Falls eine niedrigere Randkonzentration gewünscht wird, kann jetzt eine sogenannte Eintreib-(drive-in)Diffusion angeschlossen werden.If a lower edge concentration is desired, can now use a so-called drive-in diffusion be connected.
Bei der Diffusion diffundieren Aluminiumatome bis zu einer Diffusionstiefe d in das Innere der Siliziumscheibe 1 und bilden dort in dem η-leitenden Silizium eine p+- dotierte Zone 10, vgl. Fig. 5.During diffusion, aluminum atoms diffuse up to a diffusion depth d into the interior of the silicon wafer 1 and there form a p + - doped zone 10 in the η-conductive silicon, see FIG. 5.
Das resultierende Diffusionsprofil unter einer Aluminiumschicht 7 ist in Fig. 6 dargestellt, in der auf der Abszisse die Eindringtiefe a der Aluminiumatome in um und auf der Ordinate log η, η = Al-Konzentration = Anzahl Al-Atome/cm3, aufgetragen sind. Mit zunehmender Eindringtiefe a ab der Hauptfläche 2 nimmt die Konzentration η ab. Auf den Gebieten ohne Aluminiumschicht 7 wurde keine P-Dotierung gefunden.The resulting diffusion profile under an aluminum layer 7 is shown in FIG. 6, in which the penetration depth a of the aluminum atoms in μm is plotted on the abscissa and log η, η = Al concentration = number of Al atoms / cm 3 , on the ordinate. With increasing penetration depth a from the main surface 2, the concentration η decreases. No P-doping was found in the areas without aluminum layer 7.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten können alle Prozesse sein, bei welchen das gleichmässige Schmelzen des Siliziums mit dem Aluminium von Bedeutung ist, was z.B. bei der Migration der Fall ist.Further possible applications can be all processes in which the silicon is melted evenly with the aluminum is important, which is the case, for example, with migration.
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Owner name: BBC BROWN BOVERI AG, BADEN, AARGAU, CH |
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